航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)與應(yīng)用

劉健

摘 要：從上個世紀(jì)中葉為開始，復(fù)合材料就已經(jīng)逐步人們的生活，并在越來越多的產(chǎn)業(yè)中得到了重視和發(fā)展，尤其是在航空航天產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用最引人注目。因為過去應(yīng)用于航天領(lǐng)域的金屬材料存在許多不足，而復(fù)合材料的出現(xiàn)則有效的彌補了這些不足，并在不少方面有所提升，尤其是在質(zhì)量、耐磨性以及耐腐蝕性等方面。然而，復(fù)合材料的缺陷則在于其容易出現(xiàn)斷裂，因此便催生航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)。在面對航天用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品出現(xiàn)難以避免的損傷時，為了恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的使用性能，減少材料浪費就需要航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)。因此，復(fù)合材料的修補技術(shù)越來越引起工程技術(shù)人員的重視，國內(nèi)外紛紛開展復(fù)合材料修補技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：航空；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)；修補技術(shù)

中圖分類號：TQ436.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0056-02

1 概 述

復(fù)合材料修補的設(shè)計和可行性研究最早始于上個世紀(jì)70年代初葉。當(dāng)時，美國和蘇聯(lián)的冷戰(zhàn)正處于關(guān)鍵時期，也是太空競賽的重要節(jié)點，因此，以英美為首的資本主義國家開始積極投入資源研究復(fù)合材料的修補技術(shù)，并且采取了積極而嚴(yán)密的保密機(jī)制。而我國的復(fù)合材料修補技術(shù)研究直到上個世紀(jì)的80年代中后期才開始籌建。在1989年，我國首次實現(xiàn)了對某飛機(jī)副油箱水平安定板支臂裂紋進(jìn)行了以碳纖維復(fù)合材料為補片的外場修補，標(biāo)志著我國航天材料修補技術(shù)及工藝應(yīng)用開端。然而，我國在該項技術(shù)的研發(fā)上落后于發(fā)達(dá)國家太多，加上各國之間的技術(shù)交流缺乏有效的途徑，這使得我國的航空符合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)研究綜合水平不高。尤其是在某些特點材料結(jié)構(gòu)的修補上缺乏足夠深入和系統(tǒng)的研究，其中的不足之處表現(xiàn)在多個方面，不僅僅是對該復(fù)合材料的研究和修補技術(shù)上，更表現(xiàn)在有限元模擬和工程應(yīng)用技術(shù)儲備等方面。

因此，這也是本文介紹結(jié)構(gòu)復(fù)合材料修補技術(shù)的初衷，希望可以有更多力量投入到在航空領(lǐng)域材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)的研究和應(yīng)用當(dāng)中。

2 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷及修補的分析

2.1 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷

復(fù)合材料在制造和應(yīng)用的階段往往容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的損傷，這主要是由于該類材料在物質(zhì)組成和系統(tǒng)性能上具有一定的特殊性。然而，該類材料往往具有較高的物質(zhì)成本，整個部件的置換往往需要耗費大量勞務(wù)成本和物質(zhì)成本，因此，往往對航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷采取修補的方式，使之再次投入使用。對于修補技術(shù)而言，首先便是需要對復(fù)合材料的損傷特點進(jìn)行分析，并通過對其結(jié)構(gòu)損傷詳情和材料組成差異性的分析，決定相應(yīng)的修理工作。

具體而言，航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷往往分為高速沖擊損傷與低速沖擊損傷兩個大的類別，其修補技術(shù)也需要根據(jù)這兩類損傷的不同具體確定。因為低速沖擊損傷所附帶的能量水平較低，所以其引發(fā)的復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的層間分離和集體裂紋，其材料結(jié)構(gòu)表明并不會有太明顯的特征，但是這類損傷也會使得材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大大減弱，無法繼續(xù)發(fā)揮使用性能。而高速沖擊損傷的表象則相對明確，因為具有大量的能力，而且相對集中，因此所造的破壞和易見性損傷都明顯，例如裂縫、空洞、斷裂等等。

2.2 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補原則

2.2.1 基本的修補原則

航空復(fù)合材料的基本修補原則主要包括了便捷性、時效性、經(jīng)濟(jì)效益以及使用性能的恢復(fù)等諸多方面。

具體來看，第一，需要修補之后的強(qiáng)度和硬度滿足使用要求，同時還需要保障材料在結(jié)構(gòu)性上的完整，無論是承載狀況還是使用性能都能恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)水平。第二，需要在修補的過程中要盡可能少影響機(jī)械整體結(jié)構(gòu)、重量以及其他性能，控制在可接受的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。第三，還需要材料表明的平整性、光潔度以及完備性，這主要是為了保障航空設(shè)備的外形不發(fā)生變化，減少對設(shè)備的啟動影響。第四，由于修補具有較強(qiáng)的操作性，同時不需要太多的器材和設(shè)備。第五，修補具有在經(jīng)濟(jì)效益是符合標(biāo)準(zhǔn)的，需要保障成本是處于可接受的范圍內(nèi)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)性修補的原則

對于從事修補的技術(shù)人員來說，除開對于基本修補原則的注重之外，還需要對結(jié)構(gòu)性修補原則引起重視。首先，需要保障修補通道的預(yù)設(shè)置，方便今后檢修工作和強(qiáng)化工作的進(jìn)行。其次，要對頻繁損壞的位置進(jìn)行設(shè)計方案上的優(yōu)化。最后，還需要強(qiáng)化對組合構(gòu)件的設(shè)計和應(yīng)用，降低單一項目修補所帶來的難度，及其對整體結(jié)構(gòu)的影響。除此之外，還需要盡量減少對整體構(gòu)建的置換和裝卸，進(jìn)一步避免安裝所帶來的時間成本。

3 航空符合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)的分類

3.1 機(jī)械連接類

機(jī)械類的修補技術(shù)大多是通過焊接和鉚接來實現(xiàn)，通常而言，這類修補需要在所需修補的位置外表覆蓋補片，然后通過螺栓或鉚釘對補片進(jìn)行固定。這樣一來，被損壞位置在經(jīng)過修補之后有可以維系完整的載荷傳遞路線，滿足其原有的功能性需求，具有非常明顯的優(yōu)勢，而且在操作上也相對簡單。同時這類修補技術(shù)也有效地避免在修補過程出現(xiàn)冷藏和加熱的需求，因此對輔助設(shè)備功能性要求較低。在最后階段的修補連接件處理上并不需要投入太多的技術(shù)施工，同時又滿足了效率和便捷性的需求，具有相對可靠的修補性能。然而，該類修補技術(shù)模式也存在一定的技術(shù)缺陷，尤其是連接孔的位置會出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的問題，需要引起高度的重視。

同時，這類機(jī)械連接修補技術(shù)還存在不少的問題需要解決。

①補片采用的材質(zhì)（一般采用欽合金、鋁合金、不銹鋼等纖維復(fù)合材料）、厚薄以及形態(tài)；

②緊固件的材質(zhì)（常用單面螺栓或抽芯鉚釘）和類型；

③緊固件的位置排布（間距一般為4～5D，孔邊距為3D，保持和鉚釘孔的間距）；

④科學(xué)的打孔技術(shù)；

⑤打孔對于整體結(jié)構(gòu)的效果；

⑥緊固件的安裝、配置以及保存問題。

3.2 膠接類

膠接類修補技術(shù)可以直接從名稱進(jìn)行理解，是指通過特殊的膠體將損壞位置與補片進(jìn)行連接固定，以實現(xiàn)使用性能的恢復(fù)。膠接法的應(yīng)用，使得損壞部位的修補模式有了更多的選擇空間和更強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，可以實現(xiàn)切除填補，這也使得膠接類修補法主要分為貼補、挖補等不同的類別。

首先是貼補修補，其本質(zhì)是利用外部補片的膠接完成對損傷位置的修補，但是能夠用到貼補修補的損傷位置并不多，一般只能在平面損傷中進(jìn)行修補，而且大多都是不會影響到整體氣動外形的部位。通常應(yīng)用到貼補補片模式的材料也具有較多的選擇空間，除了可以選用鈦、鋁、不銹鋼等金屬材質(zhì)之外，還可以直接運用碳/環(huán)氧、硼/環(huán)氧等類型的復(fù)合材料。然而事實上，對于這類外貼補片的材料選擇，往往會優(yōu)先選用和母體材質(zhì)相近的材料完成修補工作。

其次是固化完成的復(fù)合材料層板，鈦、鋁合金金屬材料。膠接修補模式可以有效減少在修補中所消耗的時間成本，并且對修補位置的氣動外形影響也相對較小。挖補修補，應(yīng)用這類修補的主要原因是因為這類損傷部位需要進(jìn)行高強(qiáng)度的清理，然后再由新材料進(jìn)行填補。而這類修補技術(shù)也可以根據(jù)填充模式的不同進(jìn)行劃分，主要是斜接填充和階梯填充兩大類。

以斜接填充法為例，主要是將損壞位置進(jìn)行二次修整，保證其呈現(xiàn)斜面狀，然后采用新的材料進(jìn)行補充，而對于基于膠接面的剪切則可以保證其勻稱性，同時避免載荷偏離、剝離應(yīng)力過小的問題，所以修補效果更好，特別是關(guān)于厚層合板方面的修補完全可以忽略厚度因素，就可以保證修補位置表面恢復(fù)光潔。然而，相比貼補法的特點分析，這類修補模式往往對操作工藝具有較高的要求，而且會耗費較大的時間成本，還需要特別的操作環(huán)境和操作設(shè)備，因此，在一般的廠家并不容易開展。加上階梯修補本身與斜接修補就有不少的相似性，只是階梯修補需要將損壞位置修整為階梯型，再利用新選用的修補材料進(jìn)行填充。然而，這類修補模式往往需要對修補工作的操作人員有較高的要求，不僅僅需要利用專業(yè)的設(shè)備，還需要高超的技術(shù)水平和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。值得注意的是，這類修補模式需要對沒有損失的部位進(jìn)行清除，因此會衍生出不少的風(fēng)險。

3.3 其他修補類

對于航空復(fù)合材料而言，除了其本身材料構(gòu)成上的特殊性之外，還有其所運用領(lǐng)域的特殊性，綜合下來，其易受損的狀況也比普通金屬材料要頻繁的多。因此，該類材料的修補模式也和其他傳統(tǒng)修補模式存在一定的差異性。

因此，除了前兩種常用的修補方法之外，我國在技術(shù)發(fā)展的過程中也涌現(xiàn)出了不少的新型修補模式。其中發(fā)展和應(yīng)用狀況相對良好的主要是：電子束固化修補、光固化修補以及微波修復(fù)等等。這類修補模式往往具有相對較高的修補效率，通常適用于非補片式的修補需求，例如微波修補，則主要采用的是一種特殊的“膠接”方法，即在損壞地方加入微波吸收劑，然后強(qiáng)化該位置的磁導(dǎo)率，然后以特定的微波施加設(shè)備對修補位置導(dǎo)入微波，使之在較短的時間周期可以構(gòu)建全新的高強(qiáng)度修復(fù)面，最終實現(xiàn)對于損傷位置的修補，恢復(fù)其使用性能。

4 結(jié) 語

隨著時代的發(fā)展，航空復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域和前景也得到了進(jìn)一步的顯現(xiàn)，同時也催生航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展和完善。然而，我國目前的航空符合材料及其修補的發(fā)展還相對較慢，與發(fā)達(dá)國家存在較大的差異。

因此，需要國家加大對航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補技術(shù)的支持和引導(dǎo)，尤其是對教育產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)和扶持，讓更多的人可以有平臺接觸該知識，通過擴(kuò)大教育基礎(chǔ)加大高級技術(shù)人才對該領(lǐng)域研究的深入，為我國航空復(fù)合材料修補技術(shù)的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)。

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